来源：DeepTech深科技
碳点（CDs，Carbon Dots），是一类具有显著荧光性能的零维碳纳米材料，于 2004 年在单壁碳纳米管的制备过程中首次被发现。
2007 年，碳点被详细定义为直径为 2-10 纳米的零维碳纳米材料。其具有优异的水溶性和生物相容性、良好的稳定性、以及独特的光学性质等特性，已引起学界的研究热情。
基于这些优异的性质，碳点在光电器件、生物成像、生物治疗、生态环境、以及催化等方向中展现出不错的应用前景。
然而，在碳点发展的初期，绝大部分碳点展现出蓝绿色的发光，这限制了它在多个方向上的应用。其中，碳点构效关系的模糊、荧光机理的不明确，成为影响碳点调控、阻碍碳点发展的主要原因。
近日，北京工业大学环境与生命学部教授孙再成团队发现，邻苯二氨基碳点的荧光与二氢-5,7,12,14-四氮并五苯（DHQP）非常接近，通过精细分离提纯，他们确定 DHQP 分子可以从产物中完全除去，借此证明了该类碳点的荧光来源和形成过程，对碳点发展具有重要意义。
同时，碳点也和 DHQP 分子有着不同的光、热稳定性和光吸收性质，这让研究人员得以确定该类碳点的荧光来源于分子态的 DHQP。
据悉，他们认为 DHQP 分子通过碳化，嵌于石墨化的碳核内部或者连接于碳核的表面，最终导致碳点与 DHQP 相似的荧光性质和发光机理。此外，在光学性质上，该碳点与 DHQP 具有相似的荧光发射峰。
图 | 孙再成（来源：北工大官网）
此前他们发现，将邻苯二胺与邻苯二酚混合溶解，然后放入乙醇、二甲基甲酰胺等有机溶剂中后，溶液由无色逐渐变为粉红色，在绿光激发下展现出明亮的红色荧光。
经过光谱测量，其发现与课题组之前制备的碳点展现出非常相似的吸收和发射峰，这引起了他们的兴趣。
然而，邻苯二胺和邻苯二酚只是单纯的混合，并不存在高温、微波、超声等处理里过程。因此，并不可能发生碳化反应，那么该溶液中发出的与碳点类似的荧光物质，极有可能是有机小分子。
但是，由于生成的荧光物质的含量极少，并不足以用于分析测定。所以，研究团队需要改变方法和手段，以便得到充足的荧光分子来做分析测定。
为了分析碳点形成过程中的中间产物及其荧光基团，课题组首先在制备方法上做了一定改变，他们将传统的水热法（溶剂热法）替换为无溶剂法。
这样做的主要原因是：其一，排除在碳点形成过程中，溶剂对其的影响，使体系变得简单、可重复；其二，通过控制反应的时间和温度，可以得到大量的反应中间体，从而可被用于分析检测。
果然，通过上述方法他们分离测定出一系列的反应中间体，并分别对其荧光性质与碳点进行了比对，借此发现 DHQP 荧光性质与碳点极为相似。基于此，该团队认为 DHQP 极有可能是该类红光碳点的荧光基团。
接下来，所面临最重要的问题就是揭示 DHQP 与碳点之间的联系。为了排除该类碳点的荧光来源于碳点本身、而不是产物中包含的杂质 DHQP 分子，他们对所得的碳点初产物进行了精细充分的提纯。
然后，将其溶解、并过滤于 3500Da 的透析袋中，反复透析直至透析液变为无色无荧光。
为了保证透析过程中小分子能够被充分除掉，他们使用盐酸将透析液 pH 控制在 2-3 的范围内，使得溶液中分子及碳点都处在一个质子化的溶解状态，确保低于 3500Da 分子量的物质可以通过透析袋被分离去除。
透析结束后，将所得的碳点溶液进行去质子化的处理，冷冻干燥之后得到了这种碳点。
后续比对和测试显示，其展现的荧光与 DHQP 分子的荧光依然相似。因此，课题组认为该碳点的红光，来源于碳点内具有类似 DHQP 的结构单元。
在比对碳点与 DHQP 光学性质时，他们发现二者虽然有着相似的吸收和发射，但是存在一定的不同之处。
而这些“不同”也说明，碳点包含了 DHQP 结构单元，而不是包含自由的 DHQP 分子。
相对于 DHQP 分子，碳点展现出更好的光稳定性和热稳定性。原因在于 DHQP 与碳点的骨架结构通过化学键相连，起到了固定稳定 DHQP 分子的作用。
其次，随着溶液中 pH 的变小，DHQP 分子的发射有一定的红移，原因是随着溶液中 pH 的变化，分子结构发生了一定的变化。而碳点中则不存在此现象，这同样是由于碳点固定了 DHQP 的分子结构，导致其荧光发射峰位置稳定。
此外，最重要的不同是，从光致发光光谱上可以看出，对于红光发射(600 和 650nm)的贡献，除来自于 500、530 和 570nm 的激发外，285nm 的激发对其也有一定贡献。
在 DHQP 分子中，285nm 激发占主要贡献，而在碳点中 285nm 的激发几乎可以忽略。结合碳点与 DHQP 分子吸收光谱上的差异，碳点中处于激发态上的电子，可能通过非辐射跃迁的方式转移到碳点 （Sn）能级。新的激发能级（Sn） ，位于 318 nm 和 366nm 吸收带的 S1和 S2 能级之间。
处于 S2 能级上的电子，可以转移到碳点的 Sn 上，这与 S2 和 S1 能级之间的内部转换相竞争。而介于分子态和碳核态之间的电子转移，导致碳点 285nm 波段激发的光谱强度降低。
进一步，通过核磁对 DHQP 和碳点的进一步分析测定，他们发现 DHQP 分子更有可能通过端基苯环与碳点骨架相键连，并保留了 DHQP 分子的荧光特性，这也是此次工作最重要的发现及创新。
（来源：Light: Science & Applications）
同时，他们也发现了一些有趣的现象和更深层次的机理过程。比如，DHQP 分子和碳点溶液颜色随着 pH 的变化有一定的改变，这让研究人员设想是否可以设计碳点的结构、并定向合成，然后通过碳点进一步固定分子的结构，从而得到结构更加明确的碳点，使其颜色不会随着 pH 的变化而变化，且能保留 DHQP 分子的荧光性质。
此外，碳点的结构还有待进一步的明确。因此，课题组将尝试是否可以将荧光分子通过合成的方式连接在石墨碳核上，赋予碳点荧光分子的光学特性，从而实现碳点的光学调控。目前为止，碳点依旧展现出巨大和深厚的潜力，许多碳点的性质和机理仍然是未知的，其背后隐藏的价值也是令人期待的。
参考资料：
1.Li, P., Xue, S., Sun, L. et al. Formation and fluorescent mechanism of red emissive carbon dots from o-phenylenediamine and catechol system. Light Sci Appl 11, 298 (2022).
